Тенденции в развитии структуры современных ЭВМ

1. постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит к усложнению связей между узлами ЭВМ;

2. вычислительные машины перестают быть однопроцессорными, для осуществления параллельных вычислений одна операция выполняется сразу несколькими процессорами;

3. использование быстродействующих ЭВМ не только для вычислений, но и для логического анализа данных;

4. возрастает роль межкомпьютерных коммуникаций, компьютеры объединяются в сети для совместной обработки данных.

Все это приводит к тому, что происходит пересмотр традиционной фон Неймановской архитектуры.

а) Однопроцессорная схема фон Неймана	б) Многопроцессорная магистральная (конвейерная) схема
в) Многопроцессорная векторная схема	г) Многопроцессорная матричная схема

В конвейерной архитектуре соответствующей схеме б) процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных (многократный поток команд и однократный поток данных).

В векторной архитектуре соответствующей схеме в) все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными (однократный поток команд и однократный поток данных).

В матричной архитектуре соответствующей схеме г) все процессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потокоми обрабатываемых данных (многократный поток команд и многократный поток данных).

Кластерная архитектура. Из нескольких процессоров и общей для них памяти формируют вычислительный узел. Если вычислительной мощности полученного узла оказывается недостаточно, то объединяют несколько узлов высокоскоростными каналами. Именно это направление является наиболее перспективным в настоящее время.

Однако вместе со всем выше сказанным на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоят из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон неймановской архитектуры.

Упрощенная структурная схема IBM PC совместимого компьютера

Микропроцессор (МП). Центральный блок ПК, предназначен для управления всеми блоками машины и для выполнения арифметических и логических операций над данными. В состав МП входит:

Устройство управления (УУ). УУ является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные выполняемой операцией и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией; передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.

Функциональная схема устройства управления

Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.

Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

ПЗУ микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки данных. Импульс по выбранному дешифратором операций выходу считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса находится в интерфейсной части МП. Вычисляет полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции над данными.

Двухрегистровая схема АЛУ

Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов, имеет разрядность двойного слова.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: Регистр1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а Регистр2 (Рг2) – разрядность слова.

При выполнении операций в Рг1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второе число, участвующее в операции (по завершении операции данные в нем не изменяются). Рг1 может принимать данные с КШД, и выдавать данные на них, Рг2 только получает информацию с этих шин.

Схемы управления принимают от КШУ управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

Микропроцессорная память (МПП) – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия, служит для кратковременного хранения записи, выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины в отличие от ячеек основной памяти (ОП), имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие.

Интерфейсная система реализует сопряжение и связь МП с другими устройствами ПК. Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. К этой системе относятся так называемые порты ввода/вывода – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электронных импульсов. Промежуток времени между импульсами определяет время одного такта работы машины. Тактовая частота определяет количество элементарных операций, выполняемых процессором за 1 секунду. Так как, каждая операция осуществляется за определенное количество тактов, то чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие машины. Это одна из основных характеристик ПК. Измеряется в МГц (1 Гц = одна операция в секунду).

Системная шина. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех устройств между собой.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1. МП ↔ основная память

2. МП ↔ порты ввода-вывода внешних устройств

3. Основная память ↔ порты ввода-вывода внешних устройств (в режиме ПДП).

Все блоки, а точнее их порты в/в подключаются к шине через соответствующие унифицированные разъемы одинаково: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется МП либо непосредственно, либо через дополнительную микросхему – контроллер шины, который формирует основные сигналы управления.

Упрощенное представление работы процессора с ячейками памяти через системную шину:

1. Помещает на адресную шину требуемый адрес.

2. На шину управления устанавливает необходимую служебную информацию (операция – «чтение», устройство – «ОЗУ» и т.п.).

3. ОЗУ, увидев на адресной шине адрес, извлекает содержимое соответствующей ячейки и помещает его на шину данных.

Основная память (ОП). ОП предназначена для хранения и оперативного обмена данными с прочими блоками машины. Состоит из постоянно запоминающего устройства (ПЗУ/ROM) и оперативно запоминающего устройства (ОЗУ/RAM).

ПЗУ служит для хранения неизменяемых данных. Из ПЗУ можно только читать. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания. Важнейшая микросхема ПЗУ модуль BIOS (базовая система ввода-вывода), в который «зашиты» еще при изготовлении: совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера, программа-загрузчик операционной системы, программа Setap, предназначенная для задания и изменения таких параметров компьютера, как время, дата, системный диск и т.д. К ПЗУ относится также полупостоянная память CMOS, в которой хранятся настойки компьютера, сделанные с помощью Setap. CMOS имеет отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания, поэтому информация о конфигурации остается в памяти, даже если долго не включать компьютер. В последние годы в ПК в качестве ПЗУ стали использовать перепрограммируемое ЗУ – FLASH-память, программы BIOS которой можно заменять («перепрошивать») специальным образом прямо в компьютере на более новые версии.

ОЗУ предназначено для оперативного хранения данных и программ, непосредственно участвующих в информационно-вычислительном процессе, выполняемых ПК в текущий момент времени. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес, что обеспечивает ее быстродействие. Это энергозависимая память, поэтому при выключении питания, данные в ней не сохраняются.

Основная память компьютера – это внутренняя память и находится на материнской плате в системном блоке. Здесь следует также сказать еще об одном виде внутренней памяти.

Регистровая КЭШ-память – высокоскоростная память сравнительно большой емкости, является буфером между ОП и МП и позволяет увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя (Cache – тайник). В КЭШ-памяти хранятся данные, которые МП получил, и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Различают КЭШ-память 1-го уровня, она встроена в МП (для Pentium Pro ее размер 256 – 512 Кб) и КЭШ-память 2го уровня, она размещается на материнской плате вне МП, ее емкость может достигать нескольких мегабайт.

Еще один вид памяти – видеопамять, которая используется для хранения изображения, выводимого на монитор. Конструктивно она может входить в ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере монитора.

Примечание. Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (DRAM) или статического типа (SRAM). Статический тип обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже. Для регистровой памяти (МПП и КЭШ-память) используются SRAM, а для основной памяти DRAM-микросхемы.